用于以疊層纖維的復合材料生產具有凹角的型材的方法
【專利摘要】本發明的主題是一種用于生產具有凹角的復合材料構件的方法，該方法包括的步驟包括堆疊纖維層(72)，其中纖維已經被預浸漬有樹脂從而獲得預成型件，并且將預成型件放置在工具夾具中以便使其經受聚合周期，聚合周期包括具有升溫階段和至少一個保持溫度均熱過程(96)的溫度周期(85)，聚合周期還包括在工具夾具之外的具有升壓階段(90)和保壓階段(92)的壓力周期(86)，如果溫度周期(85)的溫度等于或者高于取決于樹脂的閾值溫度Tf，預浸漬的纖維層能夠相對于彼此滑動，其特征在于，溫度周期的升溫階段包括溫度高于或等于閾值溫度Tf的均熱過程(100)，均熱過程(100)在升壓階段(90)的結束之前開始。
【專利說明】用于以疊層纖維的復合材料生產具有凹角的型材的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于以疊層纖維的復合材料生產具有凹角的型材的方法。本發明更具體地涉及用于生產飛機機身框架的方法。
【背景技術】
[0002]根據在圖1中示出的一個實施例，機身框架10采用Z截面型材的形式，其中被稱為腹板12的中間部分形成一個完全或部分的環。所述型材包括被稱為內法蘭的第一法蘭14，其定位在腹板12的內邊緣上并且與之垂直；還包括被稱為外法蘭的第二法蘭16，其定位在腹板12的外邊緣上并且也與之垂直。
[0003]在文獻FR-2.928.295中描述了一種用于以復合材料生產這樣的框架的方法。
[0004]根據所述文獻，首先大致上矩形的帶狀物由三層預浸潰的纖維的疊層生產，每層具有沿一個方向定向的纖維，所述帶狀物包括具有不同纖維定向的層，即，具有以30 °定向的纖維的層18、具有以90°定向的纖維的層20以及另一具有以150°定向的纖維的層22。
[0005]在第二階段，纖維層的帶狀物被放置在由可變形的材料構成的心軸24上并且隨后在該心軸上被壓緊從而使其形狀一致。
[0006]該可變形的心軸可以在一個直線的位置與一個曲線的位置之間被變形但是具有一個不可擠壓的或幾乎不可擠壓的橫截面。
[0007]隨后，被放置在由可變形的材料制成的心軸上的變形的帶狀物與一個加熱的工具夾具接觸，所述加熱的工具夾具在其周邊上具有帶有輪廓的徑向部分，該輪廓與所述心軸的橫截面互補。因此，在彎曲過程中，所述帶狀物被壓緊并且經受溫度的上升。
[0008]在第一帶狀物被放置之后，三層預浸潰的纖維中的第二帶狀物被切掉并且被放置在另一可變形的心軸上，隨后在其上壓緊。
[0009]接著，在由可變形的材料制成的其心軸上變形的第二帶狀物與仍舊定位在工具夾具上的第一帶狀物接觸并且隨后相對于第一帶狀物被壓緊。
[0010]為了獲取框架，在因此形成的整個組件被聚合之前對于幾個帶狀物必要的是如上述那樣被相互粘接。
[0011]為了對此進行補充，具有以0°定向的纖維的層可以被手動地放置在確定的帶狀物之間。
[0012]在說明書的剩余部分中，預成型件的意思是還未被聚合的大量預浸潰的或非預浸潰的纖維，特別是源于纖維的疊層、多層纖維、纖維的帶狀物。
[0013]生產飛機框架的這種方法可以證明在將帶狀物堆疊在另一帶狀物上的過程中是存在問題的。
[0014]之所以是存在問題的，因為預成型件具有凹角，預成型件的沒有與工具夾具接觸的那個表面具有凹的形狀。當堆疊層以便獲取具有凹角的復合材料的直線形型材時，相同的問題也會產生。
[0015]所發生的是:如果將一層疊置于疊層之上，為了在型材的整個寬度上使表面與被加到被疊置的疊層的層的第一側接觸，接觸的第一點需要位于在所述凹角的頂點，通過展開它，到已經被成形的疊層的相應側，再以相同的方法在第二側上重復。
[0016]考慮到預浸潰的纖維的層的“粘著性”，一旦所述層相互接觸那么為了再調節它們的位置就很難將它們分開。因此，獲取具有在預成型件的整個寬度上接觸的層的預成型件是非常棘手的事情。當所述層不是直線的而是曲線的，那么這個難度被進一步加重，因為它們是在飛機框架的情況下。
[0017]考慮到這些定位困難，被稱為橋接的缺陷可能在凹角處產生，兩個層26、26’沒有被彼此相對地牢固地壓緊而是在橫跨凹角限定空間28，如在圖5A中所示。
[0018]如果所有的層已被堆疊，那么得到預浸潰纖維的預成型件30，其需要經受聚合周期以便獲取一種復合構件。如在圖3中示出的那樣，在該周期期間，預成型件30被定位在一個工具夾具中，所述工具夾具包括所述預成型件定位在其上的模具32和覆蓋所述預成型件的蓋部34。
[0019]根據一個實施例，模具32包括用于抽氣的裝置，該裝置經由至少一個開口通向由預成型件覆蓋的區域之外但離該區域距離很短的、預成型件放置于其上的定位表面38。
[0020]所述蓋部34包括:
[0021]?成形工具40;
[0022]?通氣纖維織物42，其設置在預成型件30和成形工具40的周邊，在抽氣裝置的開口 36處與定位表面38接觸；
[0023]?覆蓋成形工具40的離型膜44 ；
[0024]?泄放氈46，其覆蓋成形工具40和通氣纖維織物42 ；以及
[0025]?撓性包套48，其經由環繞通氣纖維織物42的周邊的密封裝置50附接到定位表面38。
[0026]在安裝所述蓋部之后，預成型件在所述纖維已經被嵌入到樹脂基質結束時經受聚合周期。如在圖4中所示，聚合周期包括溫度周期52、在所述撓性包套之外的壓力周期54和在所述撓性包套48之內的抽真空周期56。
[0027]溫度周期52包括升溫、溫度均熱過程和冷卻階段。根據在圖4所示的過程，溫度周期包括兩個溫度均熱過程。
[0028]壓力周期54包括加壓、保壓以及最后的、將壓力減小到大氣壓的過程。
[0029]抽真空周期56與溫度周期和壓力周期在相同的時刻開始并且被保持直至冷卻階段的結束。
[0030]因為加壓顯著地比溫升更快，所以撓性包套48在大多數的升溫時間內將最大的壓力傳遞到成形工具40。
[0031]如在圖5A中所示，成形工具40施加壓`縮載荷58到第一層并且隨后繼續傳遞到下面的各層。如果如圖5A中所示的那樣發生缺陷，這些幾乎垂直于接觸表面的壓縮載荷58顯著地在由空間28分隔開的層26、26’之間產生層內的剪切應力60。
[0032]當溫度上升時，層之間的附著力減小，以至于由于層內的剪切應力60，在兩個連續層之間具有撕裂，這導致在纖維中形成褶皺62，如在圖5B中已經示出的那樣。
[0033]因此，根據現有技術，在堆疊所述層時橋接類型缺陷導致缺陷，由于該缺陷在制造過程的結束時在構件的纖維中具有波動。[0034]在復合材料的構件中，纖維中這些波動的出現具有減小其機械性質的趨勢。
[0035]本發明尋求補救現有技術中的缺點。
【發明內容】
[0036]因此，本發明提出一種制造的方法，其使得可以減少在具有凹角的復合材料構件的纖維中出現波動，即使為了獲取預成型件來堆疊層而不可避免地引起兩層之間凹角處產生橋接。
[0037]出于這個目的，本發明的一個主題在于一種用于生產具有凹角的復合材料構件的方法，所述方法包括的步驟在于:堆疊纖維層，其中所述纖維已經被預浸潰有樹脂以便于獲得預成型件；并且將所述預成型件放置在工具夾具中以便使其經受聚合周期，其中所述聚合周期包括具有升溫階段和至少一個保持溫度的均熱過程的溫度周期，所述聚合周期還包括作用在所述工具夾具外部上的具有升壓階段和保壓階段的壓力周期，當所述溫度周期的溫度等于或者高于依賴于樹脂的閾值溫度Tf時，被預浸潰的所述纖維層能夠相對于彼此滑動，其中，所述溫度周期的所述升溫階段包括一個溫度高于或等于所述閾值溫度Tf的均熱過程，所述均熱過程在所述升壓階段結束之前開始。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0038]從本發明的以下描述其他的特征和優點變得明顯，所述描述單獨地借助于例子參照所附附圖給出，其中:
[0039]圖1為飛機機身框架的一部分的透視圖；
[0040]圖2為在具有剖面圖的直線的可變形的心軸上纖維的層的堆疊的透視圖，從而示出了在堆疊的層中的纖維的定向；
[0041]圖3為工具夾具的截面圖，其中由纖維的堆疊層生產的預成型件已經被定位；
[0042]圖4為根據現有技術在聚合周期期間溫度、壓力和抽真空周期的示意圖；
[0043]圖5A為預成型件的截面，示出了根據現有技術在聚合周期中在升溫階段由外部壓力產生的載荷和橋接類型的缺陷；
[0044]圖5B為在圖5A中示出的預成型件的截面，示出了根據現有技術在聚合周期期間褶皺的形成；
[0045]圖6為根據本發明在聚合周期期間溫度、壓力和抽真空周期的示意圖；
[0046]圖7A為預成型件的截面，示出了根據本發明在聚合階段并在升溫階段的期間內橋接類型的缺陷；以及
[0047]圖7B為在圖7A中示出的預成型件的截面，示出了在聚合階段橋接缺陷的糾正。【具體實施方式】
[0048]圖7A描述了預浸潰的纖維的預成型件70，其通過堆疊纖維的層72獲取。
[0049]術語“層”能夠表示一層纖維或包括幾層的帶狀物。
[0050]在說明書的剩余部分中，所述層的最長尺寸對應于縱向方向。
[0051]纖維72的堆疊層在模具74上進行，所述模具在聚合階段期間也可以被使用。
[0052]預成型件70包括至少一個凹角76，預成型件70的未與模具74接觸的表面具有在垂直于縱向方向的截面內是凹形的形狀。
[0053]考慮到預浸潰的纖維的層的“粘著性”，橋接類型的缺陷78幾乎總是在堆疊層72時發生。這種橋接類型的缺陷78包括位于凹角76處在連續層72a與72b之間的空間80。因此層72a和72b在位于凹角的頂點的一側上的第一點Pl與位于凹角的另一側上的點P2之間不再相互接觸。在這些點Pl和P2之間，層72a的弧長大于層72b的弧長。
[0054]在聚合周期期間，預成型件70被放置在包括模具74和蓋部的工具夾具中。該工具夾具可以與現有技術中的工具夾具相同。因此為了使描述更簡單，只有蓋部的成形工具82和撓性包套84已經在圖5A和圖5B中示出。如在現有技術中那樣，如果在工具夾具外部上的壓力升高，撓性包套84施加壓縮載荷，其趨向于相對于預成型件70牢固地壓緊成形工具82。
[0055]優選地，工具夾具包括成形工具82，其定位在凹角處預成型件與撓性包套之間以確保所述凹角被正確地成形。因此，通常，如果撓性包套84與成形工具82不相關，那么工具夾具不能夠獲得凹角的幾何結構。
[0056]如在圖6中所示，聚合周期包括溫度周期85和壓力周期。
[0057]優選地，壓力周期在由模具74和撓性包套84限定的區域中包括在工具夾具的外部上的壓力周期86和在工具夾具的內部上的預成型件70上的抽真空周期88。
[0058]在工具夾具的外部上的壓力周期86在時刻Tl開始并且包括壓力升高階段90、保壓階段92和恢復階段，在所述恢復階段中壓力恢復到大氣壓94。壓力的升高非常快，從而相應于保壓階段92的開始的時刻Tl’非常接近于Tl。
[0059]溫度周期85包括溫度升高階段、一個或多個溫度均熱階段96和冷卻階段98。
[0060]當樹脂已經固化時，保壓階段92的結束開始，并且在冷卻階段98期間發生。因此，保壓階段92的結束在冷卻階段的開始之后出現。
[0061]通過示例，在保壓階段92期間，在工具夾具的外部上的壓力大約9bar。
[0062]根據示出的例子,溫度周期85包括兩個均熱過程96、96’，一個在135°C而另一個在180°C。作為數量級的指示，兩個均熱過程具有大約120至180分鐘的持續時間。
[0063]當然，本發明不限于均熱過程的數量、或者這些均熱過程持續時間、或者這些壓力和溫度值。所有這些特征將由本領域內技術人員尤其是根據樹脂的流變性調整。
[0064]在升溫期間，當溫度等于或高于取決于樹脂的閾值溫度Tf時，預浸潰的纖維的層能夠沒有褶皺地相互相對滑動。
[0065]閾值溫度Tf由測試確定。其根據樹脂、纖維、層的編制類型等而不同。
[0066]作為數量級的指示，閾值溫度Tf在50°C與65°C之間而不同。
[0067]根據本發明，預成型件在壓力升高階段90結束之前保持在高于或等于閾值溫度Tf的均熱溫度。有利地，均熱溫度低于聚合起始溫度，該溫度大約相應于溫度周期的第一溫度均熱過程96的溫度。
[0068]優選地，該預成型件在壓力周期開始之前保持在均熱溫度。
[0069]因此，根據本發明，升溫階段包括處于高于或等于閾值溫度Tf但是優選低于開始聚合的溫度的溫度下的均熱過程100，所述均熱過程100在壓力升高階段90結束之前并且優選在壓力周期86開始之前開始。
[0070]均熱過程100是處于大約80°C的溫度。[0071]在壓力周期開始之前，均熱過程100的持續時間需要足夠長以便獲得貫穿預成型件的均一溫度，其高于或等于閾值溫度Tf。通過示例，在壓力周期86開始之前，均熱過程100的持續時間大于或等于30分鐘。
[0072]有利地，抽真空周期88在壓力周期開始之前開始并且優選與溫度周期85同時開始。在層被壓緊到纖維的末端在預成型件的周邊被向下吸之前，這個特征允許纖維經受拉伸載荷，并且也允許包含在預成型件的層內的任何空氣被抽吸。
[0073]圖7A示出了在壓力周期86開始之前均熱過程100期間的預成型件70。在這種情況下，由于已經出現的真空，撓性包套84和成形工具82施加僅僅非常輕的載荷到預成型件70上。這些載荷顯著地低于在壓力周期86期間由撓性包套84和成形工具82施加的壓縮載荷104,所以這些載荷還沒有被示出。
[0074]在該均熱過程100期間，對于層72能夠如由箭頭104所示的那樣相互滑動必要的條件被建立。真空的抽取允許拉伸載荷106被施加到所述層的纖維上。
[0075]如果壓力周期86開始，撓性包套84和成形工具82施加壓縮載荷102到所述預成型件。由于樹脂是充分流動的，所以所述層能夠相對于彼此滑動，這防止了可能在現有技術中發生的褶皺。在聚合結束時，所述層都被沒有缺陷地牢固地壓緊在一起，亦即在凹角處沒有任何空間并且也沒有任何褶皺。
[0076]根據本發明，橋接缺陷不再引起在聚合周期期間新的缺陷，而是由于發生在層之間的滑動導致了纖維經受了輕微的拉伸變成了優點。由于橋接類型的缺陷，纖維也都在預成型中被伸展并且在纖維的長度上任意潛在的局部剩余被消除。
【權利要求】
1.一種用于生產具有凹角的復合材料構件的方法，所述方法包括的步驟在于:堆疊纖維層(72)，其中所述纖維層已經被預浸潰有樹脂從而獲得預成型件(70)，并且將所述預成型件放置在工具夾具中以便使其經受聚合周期，其中所述聚合周期包括溫度周期(85)和壓力周期(86)，所述溫度周期(85)具有升溫階段和至少一個保持所述溫度的均熱過程(96)，所述壓力周期(86)作用在所述工具夾具外部并具有升壓階段(90)和保壓階段(92)，當所述溫度周期(85)的溫度等于或者高于取決于樹脂的閾值溫度Tf時，被預浸潰的所述纖維層能夠相對于彼此滑動，其特征在于，所述溫度周期的所述升溫階段包括在溫度高于或等于所述閾值溫度Tf下的均熱過程(100)，所述均熱過程(100)在所述升壓階段(90)結束之前開始。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述均熱過程(100)在所述壓力周期(86)開始之前開始。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述均熱過程(100)在所述壓力周期(86)開始之前的持續時間足夠長以便獲得貫穿所述預成型件的均一溫度，其中所述溫度高于或等于所述閾值溫度Tf。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述均熱過程(100)在所述壓力周期(86)開始之前的持續時間大于或等于30分鐘。
5.根據上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述均熱過程(100)的溫度低于聚合起始溫度。
6.根據上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，所述聚合周期包括抽真空周期(88)，其中在所述工具夾具的內部抽真空，所述方法的特征在于所述抽真空周期(88)在所述壓力周期(86)開始之前開始。
7.根據上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，預浸潰纖維層(72)的所述堆疊產生了在所述凹角(76)處的橋接類型的缺陷，所述方法的特征在于所述橋接缺陷允許在所述預成型件內的纖維被伸展。
8.根據上述權利要求之一所述的方法，其特征在于，包括使用在所述凹角處插置于所述預成型件和撓性包套(84)之間的成形工具(82)。
9.從根據上述權利要求之一所述的方法獲取的復合材料構件。
【文檔編號】B29C70/34GK103660309SQ201310407133
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2012年9月7日
【發明者】德尼·德馬蒂亞 申請人:空中客車運營簡化股份公司